Порядок выполнения задания:

1. Дать определение структурных составляющих железоуглеродистых сплавов и указать их основные свойства.

2. Назвать основные точки и линии диаграммы Fe-Fe₃C и показать, какие превращения происходят при температурах, соответствующих этим точкам и линиям.

3. Для двух сплавов с содержанием углерода, заданным преподавателем, изобразить кривые охлаждения, описать превращения при охлаждении. На наклонных и горизонтальных участках кривых охлаждения указать структурные составляющие сплавов.

4. Сформулировать выводы по работе, в которых определить практическое значение диаграммы Fe-Fe₃C.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение феррита, аустенита, цементита, перлита, ледебурита первичного, ледебурита вторичного. Охарактеризуйте свойства этих структурных составляющих.

2. В каких структурных составляющих наибольшее (наименьшее) содержание углерода?

3. В каких структурных составляющих фиксированное содержание углерода?

4. Какие точки и линии отображаются на диаграмме Fe-Fe₃C? Каким превращениям они соответствуют?

5. Опишите структурные превращения в сплавах при охлаждении из расплавленного состояния (концентрация С=0,2%, С=0,8%, С=2%, С=3%, С=4,3%, С=5%.

Литература для самостоятельной работы:

1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Ф.Войткун Материаловедение. СПб, Химиздат, 2002 с.194-201.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Исследование процесса закалки

и отпуска стали

0. 6.1. Учебные цели:

1. Провести виртуальную термическую обработку

2. Исследовать влияние вида термической обработки на структуру и механические свойства углеродистой стали.

3. Сформировать практические умения по выбору режима и выполнению закалки и отпуска углеродистых сталей.

6.2. Учебные вопросы:

1. Выбор режима термической обработки стали.

2. Закалка и отпуск стали.

3. Специальные методы закалки (ступенчатая, изотермическая).

6.3. Учебно-справочные материалы по термообработке сталей

Выбор режима термической обработки сталей

Термической обработкой (термообработкой) называется совокупность операций нагрева, выдержки при высокой температуре и охлаждения сплавов. Цель термообработки – изменение свойств сплавов в нужном направлении. Изменение свойств при этом происходит только за счет изменения структуры сплавов.

Термическая обработка сталей связана с процессами их перекристаллизации в твердом состоянии, которые происходят при определенных температурах. Эти температуры называются критическими температурами или критическими точками сталей.

Согласно диаграмме Fe-Fe₃C перекристаллизация углеродистых сталей происходит на линиях PSK, GS, и SE. В реальных условиях для превращения при нагревании температура должна быть несколько выше равновесной, а при охлаждении – ниже. Критические температуры при нагреве обозначают на линии PSK – A_с1, GS – А_с3, SE - А_сm, при охлаждении – соответственно Ar₁, Ar₃, и Ar_m. Численные значения этих температур для каждой марки приводятся в справочной литературе.

В настоящей виртуальной работе изучаются два основных вида термообработки: закалка и отпуск стали.

Закалка – это вид термической обработки, при котором сталь нагревается на 30-50°С выше критической температуры, выдерживается при этой температуре, после чего быстро охлаждается (со скоростью выше критической). Цель закалки – максимально возможное повышение твердости и прочности стали. Однако при этом резко снижается ее пластичность и ударная вязкость.

Наиболее часто применяется обыкновенная закалка, при которой сталь охлаждается в специальных закалочных баках, заполненных каким-либо охладителем: водой, маслом, растворами солей и щелочей. Такая закалка называется закалкой в одном охладителе.

Основными параметрами режима обыкновенной закалки являются температура закалки, время выдержки и скорость охлаждения.

Температура закалки определяется по формулам:

• для доэвтектоидных сталей:

,

• для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей:

При таких температурах доэвтектоидные и эвтектоидные стали приобретают структуру аустенита, а заэвтектоидные – аустенита + цементита вторичного.

Выдержка при температуре закалки необходима для завершения процесса образования аустенита и выравнивания его химического состава.

Разделить время выдержки при высокой температуре и время нагрева чрезвычайно трудно. Поэтому в качестве временного параметра при термообработке используют общее время пребывания в печи τ. Оно зависит, главным образом, от размеров и конфигурации деталей, типа нагревательных печей, расположения деталей в печах. Обычно зависимости для определения этого времени определяются опытным путем и представляются в справочной литературе. Для образцов, используемых в данной работе и условий их нагрева в лабораторных печах рекомендуются следующие нормы: 1 минута на 1 мм диаметра или толщины образца.

Например, при закалке образцов для определения ударной вязкости, толщина которых равна 10 мм:

, мин.

Скорость охлаждения V_охл при обыкновенной закалке должна быть равной или большей критической скорости закалки V_кр:

V_охл ≥ V_кр.

Для углеродистых сталей V_кр≈200⁰С/с. Такая скорость достигается охлаждением сталей в воде, которая обеспечивает охлаждение деталей со средней скоростью V_охл=270⁰С/с..

При скоростях охлаждения V_охл≥V_кр диффузионные процессы не происходят. В результате сталь приобретает особую структуру, которая получила название мартенсит.

Мартенсит (М) – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как в исходном аустените. Вследствие этого кристаллическая решетка мартенсита сильно искажается, и он приобретает высокую твердость, но практически нулевую пластичность. Твердость мартенсита HRC60-65, т.е. практически равна твердости цементита. Именно мартенситная структура обеспечивает высокую твердость закаленной стали.

В структуре заэтектоидной стали при температуре закалки присутствует аустенит и цементит вторичный. При резком охлаждении аустенит превращается в мартенсит, а цементит никаких превращений не претерпевает. Такая сталь в результате закалки приобретает структуру мартенсит + цементит вторичный. Обе эти структурные составляющие обладают высокой твердостью, что и обеспечивает высокую твердость закаленной заэвтектоидной стали.

Закалка заэвтектоидных сталей от температуры не применяется, так как при этом образуется грубоигольчатый мартенсит и в структуре стали сохраняется много остаточного аустенита. При этом твердость стали существенно снижается.

Все закаленные стали имеют неравновесную структуру. В них действуют высокие внутренние напряжения, которые сильно снижают работоспособность деталей и даже могут привести их к самопроизвольному разрушению. Поэтому, непосредственно после закалки такие детали подвергаются отпуску.

Отпуск – это вид термообработки закаленных сталей, при котором они нагреваются до температуры ниже критической Ac₁, выдерживаются при этой температуре, и затем охлаждаются. Цель любого отпуска снижение неравновесности структуры и уменьшение внутренних напряжений, действующих в стали. Внешне это проявляется в снижении твердости, повышении пластичности и ударной вязкости стали.

Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск производится при температуре . При таком отпуске снижаются внутренние напряжения, повышается пластичность и ударная вязкость стали. Твердость ее при низком отпуске так же снижается, но незначительно. Сталь приобретает структуру отпущенного мартенсита, который по сравнению с мартенситом закалки имеет менее искаженную кристаллическую решетку.

Низкому отпуску подвергают детали подшипников качения, режущий и измерительный инструмент.

Средний отпуск производится при температуре . При таком отпуске мартенсит превращается в высокодисперсную феррито-цементитную смесь, зернистого строения, которая называется трооститом отпуска. Внутренние напряжения при среднем отпуске существенно снижаются. При этом твердость уменьшается до , пластичность и ударная вязкость растут. Сталь приобретает высокие упругие свойства.

Среднему отпуску подвергают детали, основным требованием к эксплутационным свойствам которых является высокая упругость: пружины, рессоры, торсионы, мембраны, диски трения.

Высокий отпуск происходит при температуре . Выдержка при таких температурах приводит к образованию дисперсной феррито-цементитной смеси зернистого строения. Такая структура получила название сорбит отпуска. При высоком отпуске внутренние напряжения практически полностью снимаются, пластичность и ударная вязкость стали увеличиваются, а твердость уменьшается, но сохраняется достаточно высокой HRC25-30.

Совокупность закалки и высокого отпуска обеспечивает наилучшее сочетание прочности, твердости, пластичности и ударной вязкости стали и называется улучшением.

Улучшению подвергают детали, испытывающие при эксплуатации высокие знакопеременные и ударные нагрузки: валы, оси, шатуны, элементы зубчатых передач.

Процессы, протекающие в сталях при всех видах отпуска – диффузионные. Поэтому, полнота их протекания зависит от времени выдержки при высокой температуре. Опытным путем установлено, что это время должно составлять:

• при низком отпуске t_отп ≈ 60 мин;

• при среднем отпуске t_отп ≈ 40 мин;

• при высоком отпуске t_отп ≈ 30 мин;

Скорость охлаждения при отпуске имеет второстепенное значение. Обычно охлаждение осуществляется на воздухе, иногда в масле или воде.